脉冲电磁场在金属熔体中的电磁效应及其应用

徐燕祎, 翟启杰

(上海大学先进凝固技术中心,上海200444)

在跨入21世纪后,人类认识到资源短缺和环境污染已成为制约人类社会发展的重要因素.材料研究者开始重新考虑现有材料的发展道路,一方面努力提高材料的性能,试图用最低的资源和能源消耗最大限度地满足人类社会发展的需求;另一方面在材料制备中更多地使用物理手段,以避免化学手段对材料本身和环境的污染.在金属结构材料领域,控制洁净度和细化凝固组织是提高金属材料性能的共性需求[1-3],而物理科学和技术的高速发展为满足这种需求提供了新的途径.超强磁场等超高强物理场虽然对金属材料组织和性能有显著影响[4-6],但是由于成本和效率等方面的因素,这些超强物理手段很难应用于传统结构材料的生产中.脉冲电磁场,包括脉冲电流(electric current pulse,ECP)和脉冲磁场(pulsed magnetic field,PMF),由于瞬时能量高而线路负荷和总能耗低,近年来在金属制备中的应用受到普遍关注[7-16].

1 脉冲电磁场在金属熔体中的电磁效应

研究脉冲电磁场在金属中的电磁效应,是科学利用脉冲电磁场实现金属洁净化和均质化的基础.

1.1 电效应和磁效应

脉冲电磁场作用下的金属内电磁现象可用麦克斯韦方程组[17]描述:

式中:B为磁感应强度;E为感生电场.式(1)表示空间中变化的磁场能产生感应电场.

式中:J为电流密度;ε0为真空电导率;µ0为真空磁导率.式(2)表示传导电流和位移电流在空间中能产生磁场.

式(3)表示磁场具有连续性.

式(4)表示电荷可在空间激发电场,经过任意闭合曲面的电通量由内部包含的电荷所决定.

由麦克斯韦方程组可知,无论是脉冲电流还是脉冲磁场,都会在金属熔体中产生电流和磁场.脉冲电流经过金属熔体时,会产生感应磁场.脉冲磁场作用于金属熔体时,会在熔体中产生感应涡流.因此,脉冲电流和脉冲磁场在金属熔体中产生的电磁效应本质上是一样的,但由于施加方式不同,相应的电磁效应和大小有差异.

当传导电流或者感应电流通过金属熔体时,由于熔体具有电阻,因此产生焦耳热效应.在金属熔体的冷却过程中,焦耳热会对冷却速度产生影响[18].此外,由于固液两相电导率不同,界面处会产生接触电位差.当电流通过固液界面时,会产生额外热量,称为Peltier热[19].有学者认为Peltier热相较于焦耳热有数量级差别,可忽略[20].另外,当脉冲电流或感生的脉冲涡流通过金属熔体时,呈现聚集在熔体表面的趋势,即趋肤效应[21].

1.2 电磁力效应

当脉冲电流进入金属熔体时,会在熔体区域感应出脉冲磁场,二者相互作用产生电磁力.同样地,当脉冲磁场作用于金属熔体时,会产生感应电流,进而产生电磁力.电磁力表达式为

根据磁流体力学理论,当产生的电磁力作用于金属熔体时,电磁力将驱使流体运动,该流动可用Navier-Stokes(N-S)方程来描述.不可压缩牛顿流体的N-S方程为[22]

式中:ρ为熔体密度;u为熔体瞬时速度;p为压力;ν为熔体运动学黏性;F 为体积力,包括流体受到的重力、电磁力等.式(6)以欧拉法进行书写,等式左侧第一项称为局部加速度,代表空间某点处,流体质量随时间的变化率;等式左侧第二项称为对流加速度,代表某一时刻,空间不同点处由于速度不同而引起的位变加速度;等式右侧第一项称为压力项,代表流体静压力;等式右侧第二项称为扩散项,代表流体微团由于黏性产生的切应力;等式右侧第三项为源项,代表重力、电磁力等其他施加在流体微团上的体积力.

2 脉冲电流在金属熔体中电磁效应分布规律

由于实验研究遇到困难,电流在金属熔体中的电磁效应研究起初以数值模拟研究为主.随着实验手段的进步,近年来开始与物理模拟相结合.电流形式从最初的直流电过渡到脉冲电流.

Nikrityuk等[23]首先研究了从熔体液面和底部沿熔体轴线插入电极时,直流电作用下熔体凝固过程中流场分布规律,发现电极表面附近的熔体在电磁力作用下产生射流,射流方向由电极附近电流密度大的区域指向熔体中心电流密度小的区域.Zhang等[24]在矩形熔体两侧水平放置电极,对不同形式电流作用下金属熔体磁场、电磁力和流速大小与熔体宽厚比的关系进行研究,所得有关熔体流动规律的结论与Nikrityuk等结论不同,研究表明沿电极轴线,液态金属由熔体中心向两电极运动.

Xu等[25]在方形熔体壁布置两个电极,研究了电极放置于同一侧和两侧ECP作用下熔体内磁场、电流分布规律,发现电极所在区域熔体表面电流密度比其他侧面强,且在电极与熔体界面处达到极大值.张震斌等[26]研究了平行电极条件下Al-5%Cu合金电场分布,发现电场主要集中于熔体表层,并随熔体深度的增加而减弱.增大电极间距,将导致熔体内部电场减小,同时更均匀.此外,电极电阻率对熔体内电场大小有影响,电阻率越小电极附近电场越大.但电极浸入熔体的深度不影响熔体电场分布.该模拟结果的可靠性由实测电场验证.张荣等[27]研究平行电极条件下电磁场分布规律时得到相似的结论,发现电磁场主要集中在电极附近,熔体内电磁力由四周指向钢液中心.马静超等[28]研究了熔体电磁场分布规律与电流强度、脉宽的关系,以及电极间距对熔体电磁场分布的影响.数值模拟结果表明,熔体电磁场各项数值与电流强度呈正相关,与脉宽呈负相关.此外,电极内侧电磁场随着电极间距的减小而增大,外侧则减小.Li等[29-30]研究了ECP作用下熔体温度场和流场分布规律,讨论了电流频率、峰值、电极插入深度和液面波动对熔体流动的影响.发现熔体流动强度与电流频率、峰值成正比,但不随电极深度变化.有关流动的研究表明,电极之间熔体竖直向下运动,而电极下方熔体向电极底部运动.此外,焦耳热引起的热质对流和液面表面张力对熔体流动有重要影响.上述有关不同电极位置、电流形式的熔体电磁效应研究工作均为数值模拟,对于电磁场分布规律结论基本一致,都是集中分布在电极附近,但有关熔体流动的研究结果有所不同,甚至是矛盾的.

为了澄清ECP作用下金属熔体中的流动规律,R¨abiger等[31]通过数值模拟和实验测量相结合的方式,研究了平行电极ECP和等效直流电作用下,GaInSn共晶合金金属液电磁场、流场的分布规律.实验中浸入熔体的电极侧壁涂有电绝缘材料氮化硼(NB),熔体流速由多普勒测速仪测量.直流电作用下熔体内磁感应强度、焦耳热和电磁力分布规律如图1所示[31].熔体中感应磁场(见图1(a))主要集中在电极插入深度范围内的区域,且在电极表面达到极大值.与感应电流相关的焦耳热(见图1(b))主要集中于电极底部,说明该处电流密度远大于其他区域.电磁力(见图1(c))集中于电极底部,并以向下的分量为主.熔体流场如图2所示,图2(a)为数值模拟结果,由流场流线和速度uz等值面可以看出,在电磁力作用下,电极底部产生方向向下的射流,一直延伸至金属液底部,在该射流的驱动下,最终产生整个熔体范围内的对流.图2(b)和(d)分别为电极所在平面和垂直电极平面截面上的熔体流场实测值.电极底部和熔体侧壁上的熔体流动方向和流速分布规律与数值模拟结果一致.此外电极之间沿高度方向上半部分熔体向下运动,下半部分熔体向上运动.进一步地,将ECP与等效直流电作用下熔体流场分布实测值进行对比,发现二者在熔体内产生的流动规律基本一致.至此,平行电极ECP作用下,熔体流动的数值模拟结果得到了实验验证.此外,也进一步明确了流动产生的原因,即熔体在电极底部集中向下的电磁力的驱动下,产生两个流动强度很大的射流,金属熔体在这两个射流的作用下,进一步产生充满空间的环流.

图1 直流电作用下金属熔体感应磁场、焦耳热、电磁力分布规律[31]Fig.1 Distributions of induced magnetic field,Joule heating and electromagnetic force in molten metal under applied direct current[31]

更进一步的研究表明熔体流动强度受电流分布影响.在平行电极实验中,Zhang等[32]通过在电极侧壁是否喷涂电绝缘材料氮化硼(BN)来控制熔体内电流分布,进而获得不同强度的熔体流动.研究表明:电极侧壁涂有BN时,电流经由电极底部进入熔体;电极侧壁不喷涂BN时,电流主要沿熔体表面传播.上述两种电流分布最终导致熔体内电磁力分布规律存在差异.研究发现,当相同电流通过电路时,涂有BN的电极底部电磁力更集中,强度更大,相应的熔体流动更强.这说明通过改变电流分布,可以实现相同电流参数条件下对熔体不同流动强度的控制,这对电流在金属熔体中的应用非常重要.

上述有关ECP作用下金属熔体的研究表明,早期的研究手段主要为数值模拟,研究结果存在一些矛盾.但是,随后通过与物理模拟相结合,已经对ECP作用下的电磁效应分布规律有了比较统一的认识,且ECP引起熔体中的流动机制已经基本明确.

图2 直流电作用下金属熔体流场[31]Fig.2 Flow field in molten metal under applied direct current[31]

3 脉冲磁场在金属熔体中电磁效应分布规律

当PMF作用于金属熔体时,熔体内部产生感应电流.感应电流与磁场作用产生电磁力,驱动熔体流动.相比通过电极导入ECP的方式,PMF是一种非接触式的施加方式,因此不会由于电极材料选择不当而引入外来杂质,操作也比较方便,更有利于工业应用.

3.1 理论分析

当PMF经由螺线管线圈产生,并作用于圆柱形金属熔体时,熔体内电磁场呈轴对称分布,因此可在柱状坐标系下简化为二维模型,即只考虑竖直方向和径向的电磁场分布规律.这与通有交变电流的长直导线在x-z平面产生的电磁场分布规律相似.认识长直导线条件下熔体内的电磁场、流场分布规律,有利于深入理解PMF电磁效应.

如图3所示[33],长直导线沿垂直纸面方向延伸至无限远,当长直导线内通有交变电流I sin(wt)ey时,空间中产生非均匀磁场,该磁场经过右侧熔体区域时,熔体内磁场Bz表达式为

式中:B0为高度z的函数.根据高斯定律,磁场的水平分量为

将式(7)和(8)代入如下电磁力表达式:

并对一个周期求时均值

式(9)和(10)右侧第一项为压力项,在无自由液面情况下,该项对熔体内部流动无贡献;第二项称为对流项,是产生熔体流动的根源.对流项的方向与当地磁感应强度沿z的梯度有关,即沿竖直方向,该项由磁压力低的位置指向磁压力高的位置,作用效果表现为推动固体壁面附近的熔体由两端向中心汇聚,汇聚后的熔体继续向远离壁面的方向运动,最终形成如图3所示的环流.

图3 长直导线磁场分布示意图[33]Fig.3 Sketch of magnetic field generated by long straight wires[33]

针对电磁力矢量表达式(9)的进一步分析表明[34],压力项与对流项的比值可用磁场趋肤深度和熔体特征长度的比值代替,该值越大意味着磁场对熔体的振荡作用越强.

在实际应用中,线圈与熔体之间存在间隙且熔体尺寸有限,因此二维轴对称条件下熔体内电磁场分布规律与长直导线作用下熔体内电磁场分布规律存在差异.

3.2 模铸条件下熔体内电磁场、流场分布规律

Kolesnichenko等[35]采用边界元和有限差分相结合的方法,研究一个脉冲期间熔体流速与电流脉宽的关系,发现存在一个最佳脉宽使熔体流速达到最大.Zi等[36-37]研究了不同PMF强度条件下,熔体的磁场、电磁力和流场分布规律,发现电磁力和熔体流速在线圈端部附近达到极大值.杨院生团队研究了PMF作用下金属熔体内电磁场、流场分布规律[38-39].研究表明,当线圈内通入的脉冲电流为三角波时,一个脉冲期间熔体内电磁力方向发生两次变化,如图4(a)∼(d)所示[39].在上述电磁力作用下,硅钢熔体内部垂直方向产生两个环流,壁面附近熔体由液面和底部向中心流动,在环流分界处,熔体由壁面向内部流动.此外,熔体底部流动强度大于顶部.杨院生等[40]研究PMF用下镁合金熔体流动规律时,同样发现熔体底部环流强度与顶部环流强度存在差异,如图5(a)所示.这一现象在熔体密度较大时尤为显著.例如,Chen等[41]在研究PMF作用下液态金属汞流动规律时发现熔体底部环流强度明显大于顶部环流强度,如图5(b)所示.Ma等[42]在PMF作用下镍基高温合金熔体规律的研究中发现,当熔体中心高于线圈中心时,PMF引起熔体环流方向与二者对称放置时的环流方向不同.如图5(b)所示,在上下环流分界处,熔体由心部流向壁面,到达壁面后分别向液面和底部流动.清华大学沈厚发团队通过数值模拟对比研究了PMF和谐波磁场(harmonic magnetic field,HMF)作用下Al-5%Cu熔体电磁场和流场分布规律[43].激发磁场的线圈电流分别为脉冲三角波和正弦波.研究表明,PMF作用下一个脉冲期间电磁力水平分量方向发生一次改变,且电磁压力远大于电磁拉力.此外,沿熔体径向电磁力存在相位差,即由铸型壁至熔体中心,电磁力相位依次减小.在电磁力的作用下熔体内形成关于线圈中心对称的两个环流,中心附近熔体由壁面两侧向中心汇聚,汇聚后流入内部.对比HMF在熔体中的电磁效应,发现PMF作用下熔体内某点的电磁力极值大于HMF,但熔体流速小于HMF.

图4 PMF作用下一个脉冲期间不同时刻电磁力分布[39]Fig.4 Distributions of electromagnetic force in a pulse duration under PMF at dif f erent time[39]

图5 PMF作用下金属熔体流场分布[40-42]Fig.5 Flow field in molten metal under application of PMF[40-42]

翟启杰团队基于脉冲电磁场理论开发出脉冲磁致振荡(pulsed magneto-oscillation,PMO)技术[9],属于脉冲磁场的一种形式.针对PMO作用下熔体电磁效应,该团队进行了细致的研究.研究表明,当线圈中心与熔体中心重合[44-46]时,熔体内部电磁场分布规律与上述研究一致,即线圈附近的熔体区域磁场、电磁力最为集中.为了将PMO技术推广至模铸生产中,Zhao等[47-49]研究了液面线圈脉冲磁致振荡(surface pulsed magneto oscillation,SPMO)、冒口线圈脉冲磁致振荡(hot-top pulsed magneto oscillation,HPMO)以及复合脉冲磁致振荡(combined pulsed magneto oscillation,CPMO)作用下熔体电磁效应,发现熔体内电磁场、流场分布规律与线圈形式、线圈位置密切相关.研究表明,三种线圈条件下,电磁力方向随时间变化,但主要指向熔体内部.Tp/4时刻熔体内电磁力分布规律如图6所示.SPMO作用下电磁力极大值主要分布在熔体上表面和铸型壁附近,方向与型壁平行;HPMO作用下,电磁力极大值出现铸型侧壁线圈半高处,方向与型壁垂直;CPMO作用下,电磁力极大值出现在液面与型壁的夹角区域,相应的极值大于其他两种线圈条件.对比流场可知,HPMO和CPMO在熔体中产生的环流面积最大,CPMO作用下熔体轴线处流动最强.

3.3 连铸条件下熔体内电磁场、流场分布规律

在连铸过程中,连铸坯自身与线圈存在相对运动.通过数值模拟研究连铸条件下熔体内电磁场、流场分布规律的难度相较模铸条件更大.因此,现有数值模拟研究主要采用二维几何模型进行研究.郝军利等[50]研究了PMO作用下连铸圆坯二冷区电磁场、流场分布规律,发现PMO作用下一个脉冲期间,二冷区内电磁力方向发生两次变化.此外,PMO在二冷区内产生回流区,线圈起始端附近的熔体由坯壳流向心部,线圈中部和末端附近的熔体由铸坯中心流向表面.

图6 PMO作用下不同线圈结构对电磁力、流场的影响[48]Fig.6 Inf l uence of coil configurations on electromagnetic force and f l ow field under applied PMO[48]

东北大学乐启炽团队研究了PMF作用下半连续铸造过程中金属熔体电磁效应,分析了电磁力与电流峰值、电压占空比和频率的关系[51].此外,发现相位相差90◦的两组PMF叠加后,熔体内电磁力竖直分量峰值增大,但对于电磁力水平分量的峰值基本无影响[52].对比谐波磁场在金属熔体中的电磁效应[53],认为单一PMF有利于促进熔体的振动,经过叠加处理的PMF能同时促进熔体的对流和振动.

李廷举团队在对PMF作用下半连续铸造熔体电磁力、流场分布规律的研究中发现电磁力方向随时间变化[54].此外,在电磁力作用下,熔体内形成环流,线圈侧壁附近的熔体向液面流动.

上述有关PMF作用下模铸、连铸和半连续铸造过程中熔体内电磁效应的模拟研究表明,PMF作用下,不同导电金属熔体的电磁效应没有本质差异,但电磁场、流场分布规律与熔体密度、线圈电流波形、线圈位置、线圈形状密切相关.值得注意的是,有关PMF作用下熔体环流规律仍需物理实验验证.

4 脉冲电磁场在金属洁净化和细晶化方面的研究与应用

脉冲电磁场不仅能控制夹杂物的迁移[55-56],实现金属的洁净化,而且能有效促进凝固组织晶粒细化[57-60],达到均质化目的.上述有关脉冲电磁场作用下金属熔体电磁效应的研究,有助于理解脉冲电磁作用下夹杂物运动规律和晶粒细化机理,进而指导金属洁净化和均质化生产实践.

在脉冲电磁场对金属的洁净化研究方面,秦荣山团队通过脉冲电流调控夹杂物向铸件表面迁移,进而提高金属内部的洁净度[55].类似地,Li等[56]将PMO用于模铸冒口,发现夹杂物向组织心部和冒口聚集,该效果有利于去除大部分夹杂物,从而提高金属质量.之所以能通过脉冲电磁场实现钢的洁净化,原因在于脉冲电磁场作用下金属与夹杂物的电磁效应不同.已知脉冲电磁场作用于金属熔体时,会产生电磁力.对于含有夹杂物的金属熔体,二者由于电导率不同,因而受到的电磁力不同.上述电磁力导致夹杂物与熔体发生相对运动,此外熔体流动也会影响夹杂物的分布,二者相互作用最终实现金属的洁净化.

在脉冲电磁场金属凝固组织均质化的细晶研究方面,研究者提出了诸多细化机理,包括异质形核机制[61-63]、枝晶断裂机制[64-66]、结晶雨机制[8]和原子团簇机制[67].上述机理的发生条件与脉冲电磁场作用下金属熔体电磁效应有着密切关系.异质形核方面,已知电磁场作用于金属熔体时,会产生磁压力(见式(9)).Wang等[68]认为磁压力会促使金属熔点升高进而增大过冷度,有利于形核;秦荣山等[69]认为脉冲电流的施加会引起熔体形核势垒的减小,进而增大形核率,促进形核.通过计算熔体中的磁压力大小和电流引起的自由能改变,能清晰地认识到脉冲电磁场对异质形核的影响.枝晶断裂机制包括剪切应力折断枝晶[64]和枝晶熔断[66],二者与电磁场作用下熔体流动有着密切关系.Nakada等[64]认为熔体宏观流动会产生切应力,当切应力足够大时能够折断枝晶进而导致凝固组织的细化;Liotti[66]基于合金溶质浓度与熔点的关系,认为在枝晶间的微观流动作用下,当溶质富集的熔体流向溶质含量低的区域时,会引起局部枝晶熔断,并利用同步辐射技术观测到枝晶熔断的现象.有关熔体中电磁效应的研究揭示了熔体宏观流动和枝晶间流动规律,为讨论枝晶断裂的临界条件提供帮助.翟启杰团队认为PMO集中作用于自由液面、铸型壁以及固液界面,触发形核并产生结晶雨,由此提出PMO结晶雨细晶机制[9,70].PMO作用下熔体电磁场分布规律的研究将有助于深化结晶雨机制.Wang等[71]利用同步辐射原位观察技术观测直流电作用下Sn-12%Bi二元合金凝固过程枝晶形貌的演变,讨论了焦耳热、电流拥挤效应、界面能和成分过冷对晶粒细化的影响.王建中等[67]认为脉冲电流能改变液态原子团簇外电层密度,促使小原子团簇汇聚成尺寸更大的团簇,进而降低形核势垒,孕育出大量晶核.此外,脉冲电磁场作用下熔体内会产生强制对流,可以加速金属凝固过程的热交换,进而降低温度梯度[68].而温度梯度降低有利于抑制柱状晶生长,且提高晶粒的存活率,最终有利于凝固组织的细化.

上述有关脉冲电磁场作用下金属凝固组织的细晶机理适用于不同的实验条件,对于实际生产过程,有可能是上述一种或多种细化机理共同作用,因此需结合实际情况进行讨论.

认识脉冲电磁场作用下金属熔体电磁效应有助于建立电磁场、流动分布规律与晶粒细化的关系,进而指导工业生产.Zhang等[32]在脉冲电流处理Al-7%Si的凝固实验中发现,电极侧壁喷涂NB电绝缘材料的金属凝固组织的晶粒尺寸小于不喷涂NB条件.结合相关电磁效应的研究,可以推测电流强度相同时,电磁力、流动强度越大,越有利于凝固组织的细化.这对于在工业生产中,相同能耗条件下,获得更细小的凝固组织有着重要指导意义.赵静等[48]在不同形式线圈对纯铝凝固组织影响的研究中,发现SPMO,HPMO,CPMO作用下,金属凝固组织等轴晶面积依次增大,如图7所示.此外,HPMO和CPMO对熔体底部柱状晶生长的抑制作用和金属凝固组织的细化效果都强于SPMO,其中CPMO的作用效果尤其明显.结合前文所述不同线圈条件下熔体内电磁力大小及分布规律,可知PMO作用下晶粒尺寸、等轴晶面积占比与PMO电磁效应密切相关.

图7 PMO作用下纯铝(99.7%)凝固组织[48]Fig.7 Solidifcation structures of pure Al(99.7%)under PMO[48]

基于对脉冲电磁场在金属熔体中电磁效应的认识,以及实验条件下金属凝固组织洁净化和均质化的研究,一些学者开展了工业实验.目前,秦荣山团队基于脉冲电流理论开发的电脉冲技术[72-74],在钢的洁净化生产方面取得重要突破.在金属凝固组织均质化方面,研究人员根据脉冲磁场理论开发出多种凝固细晶技术,包括上海大学翟启杰团队的PMO技术[75-81]、中国科学院金属研究所杨院生团队的低压脉冲磁场(low-voltage pulsed magnetic field,LVPMF)技术[38-39]、大连理工大学李廷举团队的PMF技术[54],其中翟启杰团队的PMO技术在金属凝固组织均质化方面的研究成果最早发表于2008年[9],相关专利于2007年授权[82].近年来,翟启杰团队围绕PMO技术的工业化应用开展诸多研究,并发表多项专利[83-89].目前PMO技术已经应用在钢的连铸生产中,并且实现商业化应用.此外,与PMO技术有关的脉冲磁致振荡连铸方坯凝固均质化技术获得2017年度国家技术发明二等奖[90].

秦荣山团队将电脉冲技术应用于钢的洁净化生产中,获得内部不含MnS夹杂物的凝固组织[72-74].经电流密度1.6×106A/m2、脉宽60µs的电脉冲处理后,非金属夹杂物MnS在金属内部的分布如图8所示[74].图8(a)和(b)分别为金属上下表面MnS分布,图8(c)为MnS在基体心部分布.由图可知,经脉冲电流处理,MnS趋于向基体表面富集,而基体内部不含夹杂物,上述效果有利于提升基体内部的洁净度.当电流密度和脉宽分别降低至1.0×105A/m2和20µs时,仍能观测到上述现象.这种将氧化物由基体内部转移至基体表面的电脉冲技术在钢的洁净化生产方面有着广阔的应用前景.

图8 电脉冲作用下MnS在基体表面和内部的分布[74]Fig.8 Distribution of MnS on surface and in inner part by electropulsing[74]

翟启杰团队将PMO技术应用在钢的模铸和连铸生产中,显著地细化了凝固组织,促进等轴晶转变(columnar to equiaxed transition,CET),增大等轴晶率,改善偏析[60,75-81].在模铸条件下65Mn冷镦钢凝固过程中施加PMO,所得凝固组织如图9(a)∼(f)所示[75],取样位置如图9(g)所示.图9(a)∼(c)为空白实验,图9(d)∼(f)为对比实验,白线代表柱状晶区长度.由图可知,经PMO处理的凝固组织柱状晶区明显缩短,等轴晶面积显著增大,等轴晶率提高了1.8倍以上.

将PMO施加在GCr15轴承钢连铸过程中,同样能促进等轴晶的生成[76].对比PMO处理前后的凝固组织(见图10),发现经PMO处理后凝固组织等轴晶面积明显增大.此外,碳偏析得到改善,控制在0.93∼1.06之间.对PMO作用下GCr15轴承钢连铸矩形坯微观组织形貌的研究表明[79],PMO作用下凝固组织一次枝晶臂间距减小,二次枝晶臂间距增大.将PMO施加在AM2锚链钢连铸过程中[80],仍然能有效地促进CET.对比发现PMO作用下铸坯等轴晶面积明显增大.此外,经PMO处理的铸坯中心缩孔基本消失.采用“五点法”测量铸坯中心碳偏析指数及平均值,发现第一组实验平均碳偏析指数从未处理的1.33下降至1.10;第二组实验平均碳偏析指数从未处理的1.38下降至1.02,即PMO的施加有利于降低铸坯中心碳偏析指数.在20CrMnTi齿轮钢的连铸过程中施加PMO得到与上述相似的结论[78].如图11所示,经PMO处理后,凝固组织中心等轴晶面积显著增大,由11.76%增大到24.09%.此外,未经PMO处理的铸坯中心缩孔严重,最大直径约3 mm,最大连续长度约12 mm,但经过PMO处理后铸坯中心未出现缩孔.统计铸坯不同位置的碳的质量分数,发现PMO的施加能有效改善中心碳偏析.此外PMO作用下锰、铬、硅元素在铸坯心部的富集程度大幅度降低.目前PMO技术已经稳定应用于中天钢铁集团特殊钢生产,显著提高了铸坯质量和生产效率,同时PMO的能耗不足电磁搅拌的一半.

杨院生团队将LVPMF技术应用在AZ80镁合金半连续铸造过程中,得到的金属凝固组织微观形貌明显细化[13].沿铸坯径向统计Al和Zn溶质相对含量,发现LVPM作用下,铸坯表面至距离表面60 mm范围内的微观偏析明显改善.李廷举团队在6063铝合金半连续铸造过程中施加PMF,同样实现了金属宏观组织和微观组织的细化,此外Mg和Si元素的宏观和微观偏析得到改善[54].

5 展望

高品质、低消耗、低排放是制造业共同的追求,而高洁净和均质化是金属材料领域孜孜以求的目标.由于脉冲电磁场可以显著提高金属的洁净度和均匀度,加之其线路负荷小、能耗低、无排放和对金属本身无污染等一系列优势,必将得到更加广泛的关注和应用.

图9 PMO对65Mn冷镦钢凝固组织的影响[75]Fig.9 Inf l uence of PMO on 65Mn cold heading steel solidification structures[75]

图10 PMO作用下GCr15轴承钢连铸坯凝固组织[76]Fig.10 Solidification structures of GCr15 bearing steel during continuous casting under PMO[76]

图11 PMO对20CrMnTi连铸坯的影响[78]Fig.11 Inf l uence of PMO on GCr15 bearing steel during continuous casting[78]

研究和认识脉冲电磁场在金属熔体中的电磁效应,特别是电磁效应的分布规律,对于科学合理地应用脉冲电磁场具有十分重要的意义,在今后相当长一段时期内必将成为研究热点.研究重点包括:脉冲电磁场在金属熔体中电磁效应的基本理论、电磁效应在金属熔体中的分布规律、电磁效应与金属熔体中夹杂物等异质相的相互作用,以及电磁效应对金属熔体流动、溶质迁移和相变的影响规律和机制.

值得注意的是,脉冲电磁场“瞬时”和“高能”两个特点,使其物理模型的建立、数学解析和数值计算,以及实验测定都有很大的难度.加之金属熔体“高温”和“不透明”两个特点,使脉冲电磁场在金属熔体中电磁效应的研究更加困难.因此,该领域的研究需要物理、冶金、材料领域的学者以及实验技术人员的协同工作,需要理论研究和实验研究的相互印证,需要数值模拟和实验模拟的相互支撑.在模拟研究中,基于物性相似的以此见彼的物质模拟、以小见大的几何模拟,以及以点见面的热模拟等物理模拟方法将相互补充,与数值模拟一起为脉冲电磁场新技术的开发和应用发挥重要作用.